XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автономный преобразователь солнечной энергии в электрическую энергию
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Международный проект «Великая зелёная стена» Африканского союза по борьбе с увеличением территории пустыни Сахара был запущен в 2007 году. Особые условия пустыни Сахара ставят перед участниками проекта комплекс проблем, не имеющих аналогов в мировой практике: освоение огромных необжитых и труднодоступных территорий; транспортное, энергетическое и социальное обеспечение региона [1]. Суть проекта заключается в создании полосы древесной растительности, способной сдержать расширение пустыни Сахара. Эта полоса протянется от Атлантического океана до Красного моря, ширина которой 15 км и длина порядка 8000 км. Конечной целью этого проекта является восстановление 100 млн. га деградированных земель, поглощение не менее 250 млн. тонн углекислого газа из атмосферы, создание 10 млн рабочих мест в сельских районах Африки к 2030 году. Следует отметить, что задача поглощения углекислого газа СО2 из атмосферы касается не только африканского континента, но и всего земного шара.
Параллельно со строительством «Великой зелёной стены» предполагается запустить солнечные и ветряные электростанции. Именно использование альтернативной энергетики, основанной на использовании солнечной энергии и энергии ветра, обеспечит условия сохранения окружающей среды. На начальном этапе создания «Великой зелёной стены» при посадке деревьев и кустарников требуется их полив. Полив можно осуществлять из скважин с использованием электронасосов, питание которых могут обеспечить мобильные автономные экологически чистые источники электрической энергии.
Целью работы является разработка модели автономного мобильного преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию.
Технический результат работы заключается в предложении конструкции простого в изготовлении и надёжного в эксплуатации теплового преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию.
1. Международный проект «Великая зелёная стена»
Идея проекта «Великая зелёная стена» возникла в 70-х годах прошлого столетия. Президент Буркина-Фасо Т. Санкара занялся борьбой с опустыниванием земель в своей стране. За время его правления было высажено более 10 млн. деревьев, остановивших наступление песков Сахары на юг страны [1]. Одновременно с этим в Кении появилась неправительственная организация «Зелёный пояс», занимающаяся восстановлением уничтоженных лесов. Только в 2007 году был запущен Международный проект «Великая зелёная стена» Африканского союза по борьбе с увеличением территории пустыни Сахара. Суть проекта заключалась в создании полосы древесной растительности, способной сдержать расширение пустыни Сахара. Эта полоса протянется от Атлантического океана до Красного моря, ширина которой 15 км и длина порядка 8000 км.
Рис. 1. Великая зелёная стена.
Конечной целью этого проекта является восстановление 100 млн. га деградированных земель, поглощение не менее 250 млн. тонн углекислого газа из атмосферы, создание 10 млн рабочих мест в сельских районах Африки к 2030 году. Следует отметить, что задача поглощения углекислого газа СО2 из атмосферы касается не только африканского континента, но и всего земного шара.
Несмотря на высокие цели, заложенные в строительстве «Великой зелёной стены», за последние годы не было достигнуто большого прогресса. На сегодняшний день восстановлено всего лишь 18 % от общей намеченной цели [1]. Финансирование этого проекта столкнулось с невыполненными обещаниями. В 2021 году президент Франции Э. Макрон и другие мировые лидеры обещали финансирование в размере 14,3 миллиардов долларов в 2021 – 2025 годы, что помогло бы проекту набрать темпы. По состоянию на март 2023 года было освоено 2,5 миллиардов долларов из этого обещания [1].
Российские учёные имеют опыт лесовосстановления, который берёт своё начало ещё в СССР [2]. С 1928 года российские учёные занимались восстановлением участков территории в Астраханском регионе. Работы велись в течении 20 лет. Учёным – лесовикам удалось вырастить деревья, никогда ранее не виданные в пустыне. Они не только смогли выжить в пустыне, но и изменили климат и землю вокруг. Подобные работы велись и в других регионах России. Особое внимание уделялось югу России. Российские учёные готовы делиться своим опытом.
2. Устройство автономного преобразователя
солнечной энергии
Особые условия пустыни Сахара, когда очень много Солнца, солнечная энергия становится основным реальным источником энергии. Солнечную энергию можно аккумулировать, используя аккумулирующую массу [3]. В качестве термоаккумулирующей массы часто используют воду. Вода обеспечивает накопление тепловой энергии и тепловую инерцию. Видимый солнечный свет и коротковолновое инфракрасное (ИК) излучение пропускает стекло, что позволяет из стеклянных панелей изготовить корпус, в котором разместить ёмкость с водой.
Автономный преобразователь солнечной энергии в электрическую энергию, использующий возобновляемый источник электроэнергии, содержит преобразователь солнечной энергии в электрическую энергию, представляющий собой теплообменник, помещённый в изолированный от окружающей атмосферы корпус со стеклянными стенками. Теплообменник представляет собой вертикально ориентированный металлический цилиндрический сосуд, заполненный водой. В центральной части теплообменника располагается цилиндрический канал. Изолированный корпус преобразователя соединён с атмосферой регулируемым воздуховодом и вытяжным каналом. На выходе вытяжного канала установлена турбина, соединённая с электрогенератором.
Принципиальная схема автономного преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию приведена на рис. 2 (вертикальное сечение, вид сбоку) и на рис. 3 (горизонтальное сечение, вид сверху). Преобразователь содержит теплообменник 1, с помощью которого осуществляется преобразование энергии излучения Солнца в тепловую энергию и её накопление в теплообменнике 1. Теплообменник 1 представляет собой вертикально ориентированный металлический цилиндрический сосуд, заполненный водой. Вода обладает большой теплоёмкостью и способна поглотить и накопить большое количество тепловой энергии. Теплообменник 1 размещается в изолированном корпусе 2 со стеклянными стенками 3, пропускающими излучение от Солнца, но препятствующие теплообмену с окружающей средой. В нижней части преобразователя располагается регулируемый воздуховод 4, через который поступает воздух из окружающей атмосферы в изолированный корпус 2 преобразователя. Поступающий из окружающей атмосферы воздух обтекает теплообменник 1 и нагревается до определённой температуры. При заданном расходе поступающего атмосферного воздуха между теплообменником и обтекаемым его воздухом наступает тепловое равновесие, т.е. температура воздуха в устройстве устанавливается постоянной. В результате нагрева плотность воздуха в корпусе 2 преобразователя уменьшается и возникает сила Архимеда, действующая на нагретый воздух и приводящая к движению его вертикально вверх, т.е. создаются условия для появления тяги, которая усиливается вытяжным каналом 5. В центральной части теплообменника 1 располагается цилиндрический канал 6, предназначенный для увеличения теплоотдачи теплообменника 1. Вся поверхность теплообменника 1 окрашена в чёрный цвет и обладает шероховатостью. Это необходимо для эффективного поглощения энергии излучения Солнца теплообменником 1 и для передачи тепловой энергии от теплообменника 1 воздуху. В нижней части устройства вокруг теплообменника 1 под некоторым углом α располагается система зеркал 7, которая направляет излучение от Солнца на теплообменник 1 и тем самым дополнительно нагревает его.
Стенки вытяжного канала 5 теплоизолированы с целью устранения теплообмена нагретого воздуха, движущегося в вытяжном канале 5, с воздухом окружающей атмосферы. Это необходимо для эффективного преобразования тепловой энергии молекул воздуха, приобретённой в теплоизолированном корпусе 2, в кинетическую энергию направленного поступательного движения молекул воздуха, т.е. к увеличению тяги, а соответственно, к увеличению скорости движения воздуха в вытяжном канале 5. На выходе вытяжного канала 5 установлена турбина 8, позволяющая преобразовывать поступательное движение воздуха во вращательное движение турбины 8, соединённой с электрогенератором 9, вырабатывающим электрический ток. От электрогенератора 9 электрическая энергия поступает на аккумуляторную батарею, запасающую электрическую энергию, и на нагрузку потребителя электроэнергии. На рис. 2 и на рис. 3 аккумуляторная батарея и потребитель электрической энергии не указаны.
Рис. 2. Принципиальная схема автономного преобразователя солнечной
энергии в электрическую энергию
(профиль – вертикальное сечение, вид сбоку).
1 – теплообменник, 2 – корпус устройства, 3 – стеклянные стенки корпуса, 4 – воздуховод, 5 – вытяжной канал, 6 – цилиндрический канал, 7 – зеркала, 8 – турбина, 9 – электрогенератор.
Рис. 3. Принципиальная схема автономного преобразователя солнечной
энергии в электрическую энергию
(план – горизонтальное сечение, вид сверху).
Поскольку внутри корпуса 1 устройства устанавливается тепловое равновесие между теплообменником и обтекаемым его воздухом при заданном расходе поступающего в корпус 1 устройства атмосферного воздуха, то скорость движения воздуха в вытяжном канале не изменяется со временем. Соответственно, скорость вращения турбины так же постоянна во времени.
Эксплуатация автономного преобразователя солнечной энергии в электрическую энергию осуществляется следующим образом. Излучение от Солнца, пройдя через стеклянные стенки 3 изолирующего корпуса 2, падает на теплообменник 1. С помощью теплообменника 1 осуществляется преобразование энергии излучения Солнца в тепловую энергию и накопление тепловой энергии в теплообменнике 1. Одновременно с преобразованием и накоплением тепловой энергии в теплообменнике 1 в корпусе 2 осуществляется нагревание атмосферного воздуха, поступающего в корпус 2 через воздуховод 4. При заданном расходе поступающего атмосферного воздуха между теплообменником 1 и обтекаемым его воздухом устанавливается тепловое равновесие. В результате нагретый в корпусе 2 воздух с постоянной скоростью поступает в вытяжной канал 5. В вытяжном канале 5 происходит увеличение скорости направленного движения воздуха. На выходе вытяжного канала 5 поступательное движение воздуха с помощью турбины 8 преобразуется во вращательное движение, которое передаётся электрогенератору 9, вырабатывающему электрический ток. От электрогенератора 9 электрическая энергия поступает на аккумуляторную батарею, запасающую электроэнергию, и на нагрузку потребителя электроэнергии. Использование теплообменника 1 в качестве накопителя тепловой энергии позволяет повысить время стабильного и бесперебойного электропитания.
Предлагаемый преобразователь позволяет преобразовать энергию излучения Солнца в тепловую, а затем в электрическую энергию. При этом преобразователь удовлетворяет всем основным современным требованиям: экологической чистоты, мобильности, автономности и низким капитальным затратам при его изготовлении и эксплуатации.
3. Физическая модель преобразования солнечной энергии
излучения в тепловую энергию
3.1. Температура, до которой можно нагреть преобразователь
солнечной энергии
Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – это способ переноса тепловой энергии в пространстве, осуществляемый в результате распространения излучения, энергия которого при взаимодействии с веществом переходит в тепловую энергию [4]. При использовании теплообменника в качестве преобразователя солнечной энергии в тепловую энергию сразу возникает вопрос: «До какой температуры можно нагреть теплообменник, используя солнечное излучение?» По закону сохранения энергии температура теплообменника будет повышаться до тех пор, пока суммарная тепловая мощность, отдаваемая теплообменником, не сравняется с получаемой энергией от Солнца, то есть не наступит термодинамическое равновесие.
Солнечная постоянная или тепловой поток для широт порядка 500 в полдень достигает значения 800 Вт/м2. В южных районах России тепловой поток доходит до величины Qc = 1000 Вт/м2. Определим температуру, при которой плотность потока собственного излучения абсолютно чёрного тела составляет Qc = 1000 Вт/м2. Это при условии, когда тело находится в вакууме, и нет конвекционного теплообмена. Из закона Стефана – Больцмана [4], устанавливающего связь между излучательной способностью Е абсолютно чёрного тела и его температурой Т :
(где σ = 5,76•10-8 Вт/(м2 •К4) – постоянная Стефана – Больцмана), выразим температуру поверхности чёрного тела:
.
Экспериментальные исследования показали, что металлическое тело, окрашенное чёрной масляной красой, можно нагреть до температуры 70 – 80 0С.
Предположим, что тепловой поток солнечного излучения составляет Qc = 1000 Вт/м2, нагревает теплообменник до температуры Т = 75 0С, что соответствует значению Т = 348 К. Используя закон Стефана – Больцмана определим количество энергии, излучаемой с поверхности теплообменника S = 1 м2 при температуре Т = 348 К за время
1 с:
Остальная тепловая энергия Q2от теплообменника передаётся воздуху:
При этом КПД теплообменника составит:
Полученный КПД η = 17,2 % низкий, но следует учесть, что на нагрев теплообменника не была затрачена энергия ископаемых природных источников энергии: угля, нефти, газа.
3.2. Расчёт параметров течения нагретого воздуха в
вытяжном канале
Постановка задачи. Теплообменник (рис. 3) размещается в изолированном корпусе преобразователя солнечной энергии со стеклянными стенками. В нижней части преобразователя располагается воздуховод, через который внутрь преобразователя поступает воздух из окружающей атмосферы. Поступающий воздух обтекает теплообменник и при этом нагревается. Под действием силы Архимеда нагретый водух поднимается в верхнюю часть преобразователя, в которой расположен вход в вытяжной канал. Предположим, что воздух нагревается от теплообменника до температуры Т1= 75 0С и под действием силы Архимеда поступает в вытяжной канал. Высота вытяжного канала составляет h= 5 м, внутренний диаметр вытяжного канала d = 0,25 м. Из вытяжного канала воздух истекает в атмосферу с температурой воздуха Т2 = 35 0С. Одновременно внутрь преобразователя поступает атмосферный воздух. Давление в преобразователе, в вытяжном канале и на выходе из него равно атмосферному давлению.
Определить параметры течения в вытяжном канале и на выходе из него:
1) время течения нагретого воздуха по вытяжному каналу t1;
2) скорость воздуха на выходе из вытяжного канала υ1;
3) ускорение, с которым движется воздух в вытяжном канале a;
4) расход нагретого воздуха через вытяжной канал Q.
Решение.Естественная конвекция или тяга Тh возникает под действием силы Архимеда , [4] и определяется уменьшением плотности воздуха при нагревании его в преобразователе:
,
где ρ – плотность газа, g = 9,82 м/с2 – ускорение свободного падения; V – объём газа; S - площадь поперечного сечения канала.
Определим плотность воздуха при атмосферных условиях Т2= 35 0С (308 К) и плотность воздуха в вытяжном канале Т1 = 75 0С (348 К). Из уравнения Клапейрона – Менделеева [4] выразим плотность воздуха:
.
При Т1 = 348 К, ρ1 = 0,967 кг/м3; при Т2= 308 К, ρ2 = 1,093 кг/м3.
Учитывая, что высота наклонного вентиляционного канала составляет h = 5 м, определим величину силы тяги:
.
Соответственно сила Архимеда в этом случае равна:
Зная величину силы, действующей на тело, из второго закона Ньютона определим величину ускорения, с которым движется нагретый воздух в вытяжном канале:
.
Используя уравнения движения кинематики:
и ,
определим время течения нагретого воздуха по вытяжному каналу t1 и скорость движения воздуха на выходе из вытяжного канала υ1 . На входе в вытяжной канал х0 = 0, поступательная скорость направленного движения воздуха υ0 = 0. С учётом начальных условий движения исходные уравнения принимают вид:
; .
Из первого уравнения выразим t1 и подставим его значение во второе уравнение:
- время движения нагретого воздуха в вытяжном канале;
- скорость течения воздуха на выходе из канала.
Зная скорость течения атмосферного воздуха на выходе из канала υ1 , площадь поперечного сечения вытяжного канала S и плотность нагретого атмосферного воздуха можно определить массовый расход атмосферного воздуха через вытяжной канал:
Основные параметры течения
-
1. Время течения по вентиляционному каналу t1, с
5,74
2. Скорость воздуха на выходе из канала υ1 , м/с
1,47
3. Ускорение, с которым воздух движется в канале а, м/с2
0,303
4. Расход нагретого воздуха через канал Q , кг/с
0,085
При таких стабильных параметрах течения нагретого воздуха в вытяжном канале достигается стабильное вращение турбины, вращающей генератор электрической энергии.
Выводы
1. Наиболее перспективным источником электрической энергии в условиях пустыни Сахара является солнечная энергия. Солнечную энергию можно аккумулировать, используя термоаккумулирующие массы, затем превратить тепловую энергию в механическую энергию с дальнейшим преобразованием механической энергии в электрическую энергию.
2. Предлагаемый автономный преобразователь солнечной энергии в электрическую энергию удовлетворяет всем основным современным требованиям: экологической чистоты, мобильности, автономности и низким капитальным затратам при его изготовлении и эксплуатации.
Литература
1. Что известно о проекте Стены на август 2023 года. https://www.unccd.int/our-work/ggwi
2. Русский лес против Сахары. Как Россия может помочь в борьбе с пустыней. https://www.techinsider/ru>scince/news-605313-v-afrike
3. Гибилиско С. Альтернативная энергетика без тайн.-М.: Эксмо, 2010.-368 с.
4. Физический энциклопедический словарь /Гл. ред. А.М. Прохоров.-М.: Сов. Энциклопедия, 1983. - 928 с.